WO2018087667A1 - Kombiniertes stromspeicher-system und management-system hierfür - Google Patents

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WO2018087667A1
WO2018087667A1 PCT/IB2017/056976 IB2017056976W WO2018087667A1 WO 2018087667 A1 WO2018087667 A1 WO 2018087667A1 IB 2017056976 W IB2017056976 W IB 2017056976W WO 2018087667 A1 WO2018087667 A1 WO 2018087667A1
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storage system
accumulator
capacitor
storage unit
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Felice Estermann
Remo Estermann
Andres Stadtmann
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Amrein, Daniel
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a
  • Power storage system that has both at least one
  • electrochemical storage unit or at least one
  • Capacitor storage unit comprises. Furthermore, the invention relates to a management system for the combined accumulator-capacitor power storage system, as well as a method for
  • Electrochemical storage units such as rechargeable batteries or better said battery packs are subject to limiting factors or disadvantages such as a relatively moderate to good specific power density, limited life and relatively moderate
  • the internal resistances of the cells additionally increase or decrease the charging efficiency in addition, if you load fast with high currents or demanded high power peaks, the latter is described with the so-called Peukert effect or the rate-capacity effect.
  • the present invention such as capacitors or supercapacitors with fixed capacitance values, or else variable capacitors with adjustable capacitance values, are suitable as storage of electrical charge and the associated energy, in contrast to electrochemical storage units, because of their low internal resistance, especially for high power consumptions or discharges. in a more limited time frame.
  • capacitors or supercapacitors with fixed capacitance values or else variable capacitors with adjustable capacitance values
  • electrochemical storage units because of their low internal resistance, especially for high power consumptions or discharges. in a more limited time frame.
  • Capacitors e.g. Vacuum, air, mica, glass,
  • Trimmer capacitors are intended to be within the scope of the disclosure of the present application.
  • capacitors over rechargeable battery packs are their high power density with high peak current capability, furthermore the significantly greater cycle stability, the short charging times, the
  • Capacitors limited to a relatively low value, which is usually below the value of the required
  • each capacitor has small differences in its properties from the other specimens, e.g. at the ESR value (spare series resistance or internal
  • Loss resistance it is necessary to balance the capacitors by means of a passive balancing - as mentioned above, for example with resistors - or by means of an active balancing with an electronic control circuit.
  • the object of the present invention is under
  • Capacitors and a management system for this purpose which is generally optimized in its properties, its application and its lifetime. In particular, should
  • Accumulator cell comprises and - arranged in parallel thereto - a capacitor storage unit or a
  • Capacitor module at least one capacitor.
  • This Combined power storage system further includes at least one common management system that controls both the storage battery unit and the capacitor storage unit simultaneously.
  • a combined power storage system form at least two series-connected accumulator cells, the accumulator storage unit and at least two capacitors connected in series, the capacitor storage unit.
  • the accumulator storage unit and the capacitor storage unit remain arranged in parallel to each other.
  • the inventive shared management system of a combined power storage system according to the invention may comprise separate part management systems, at least a first for the accumulator storage unit and at least a second for the capacitor storage unit. In any case, these sub-management systems remain connected to the common accumulator-capacitor management system according to the invention, which ultimately and according to the invention are always both
  • a combined power storage system according to the invention is characterized in that the
  • BMS battery management system
  • Such a management system according to the invention is on the one hand an active management system, ie, it is not a charge surplus of a cell passively converted into heat, but actively by means of a balancing the balancing between the individual accumulator cells and / or the individual capacitors. This hardly arises
  • Management system are decoupled from an entire, uniform charging current of an external charging source and further controlled according to the invention by means of a separate or integrated into the management system microcontroller, targeted per accumulator cell or capacitor.
  • a separate or integrated into the management system microcontroller targeted per accumulator cell or capacitor.
  • a management system is designed so that it forms a potential-free, so-called “virtual" power source within the system, regardless of an external charging source and also independent of the respective operating state of the combined power storage system, a power source for The current of this virtual current source is also according to the invention by means of individually controllable switch, preferably
  • the management system is also by the described virtual power source and the described individual switch, not as usual down, but leveling up or balancing.
  • the management system according to the invention could be described as progressive and not degressive, because not stronger cells are downshifted to a lower charge level, but the weaker ones up to the charge level of the stronger ones.
  • Boost currents both as described above can be done by means of a current drawn from the virtual power source, as well as by means of a stream from an external power source, and by means of a stream of a subsystem of a multi-combined combined power storage system according to the invention.
  • microcontroller is preferably a
  • Boost currents deposited it is preferably defined how the respective state of the respective accumulator cell or the respective capacitor based on which
  • Sensor data can be determined.
  • the algorithm further defines that more or / and longer time intervals and / or possibly higher boost currents can be allocated to the determined weakest accumulator cells or capacitors or subsystems as well.
  • the "strongest" accumulator cells or capacitors or subsystems are under
  • the algorithm may further provide that the height of the boost currents may be variable, eg in
  • the algorithm further preferably defines
  • Thresholds which is a "working window" of the boost
  • the upper threshold is intended to prevent an unnecessarily energy-consuming
  • the lower threshold is to prevent a completely or too heavily discharged cell from being boosted instead of being replaced.
  • microcontroller or deposited
  • Algorithm are designed so that a dynamic compensation takes place.
  • the desired balanced status can sometimes be higher or lower.
  • the decisive factor is the duration of the
  • microcontroller and the stored algorithm are designed so that boost orders or hierarchies are given. For example, the weakest subsystem (s) are balanced first, and then the entire system.
  • the goal of all these measures is to create a smart controller that avoids unnecessary balancing operations, while saving as much time and as possible
  • individual accumulator cells and / or capacitors and / or subsystems can take place here not only during a charging process, but also under load during discharging, as well as at rest.
  • SoC State of
  • This SoC is according to the invention not only during one
  • Sleep mode of a combined power storage system according to the invention can be displayed.
  • a second indicator is the so-called SoH
  • the microcontroller is designed so that it can detect a further indicator, namely the number of boosts per time interval.
  • the device for this purpose should be called Boost Counter.
  • Boost is referred to in the present patent application for each accumulator cell, capacitor or subsystem individually controllable charging current. Characterized in that by an inventive
  • Accumulator-capacitor management system whenever necessary, automatically for the respective accumulator cell or the respective capacitor or the respective subsystem of the required charging or compensation current is allocated, gives a detection or count of the boosts a direct inference to the capacity of the respective accumulator cell or the respective capacitor or the respective
  • both storage units each comprise at least one switching contact, the or the continue
  • At least one coil is switchable or are.
  • an electronically controllable resistor Preferably arranged at least at the capacitor storage unit initially an electronically controllable resistor. This resistance fulfills the one hand, the purpose
  • Resistance increase, for example, when switching on or generally with very different voltages between the accumulator and the capacitor storage unit.
  • Resistor may be arranged a circuit for voltage adjustment, which comprises at least one coil and at least two controllable switching contacts.
  • microcontroller is preferably a
  • the system preferably comprises at least one current sensor as a signal generator for the microcontroller of the accumulator-capacitor management system for an automatic one
  • the current sensor is also important for determining SoC and SoH.
  • Accumulator-capacitor management system preferably an alarm output interface, for example, for the output of an optical and / or acoustic alarm signal or for the
  • the system preferably has a display for displaying the processes taking place, but moreover at least one communication module for system-external communication, preferably bidirectional. This can be a serial,
  • a GSM module can be used for sending SMSes
  • a GPS module can be arranged.
  • Communication types is preferably encrypted and signed.
  • User input interface for an integrated or external display with input capability.
  • This user input interface preferably also provides a remote control, but also the possibility of remote maintenance by means of an IP address and / or a server.
  • a cooling and / or ventilation device for the power storage system itself can, in addition to a cooling and / or ventilation device for the power storage system itself, optionally a
  • Power storage system preferably modular as a rack or rack constructed with rails and in this way on
  • the rack may be configured as a housing, which is preferably designed as a protected against contact, foreign body and moisture system.
  • the degree of protection according to IP may range from IP21XX to IP68DH, depending on the application of the combined power storage system, For example, even as a drive unit of watercraft. Within the range mentioned, the selected degree of protection is preferably IP53XX at the factory
  • Non-volatile safety memory for the system data.
  • system data are preferably transmitted to a server by means of the interfaces described above.
  • the power supply of the controller of a combined power storage system according to the invention is preferably 12 volts.
  • the isolation voltage is
  • a print i. an accumulator or
  • Capacitor memory unit is designed to preferably comprise eight individual series-connected battery cells or eight individual capacitors arranged in series.
  • a current storage system is characterized by a certain ratio, which is selected between the rated capacity of the accumulator storage unit in watt-hours and the nominal capacity of the capacitor storage unit, also in watt-hours.
  • This ratio between accumulator and capacitor capacitance ranges from 1: 1 to 1: 200 and is preferably approximately 1:80. Namely, it has been found that at this ratio, optimal storage of the accumulator storage unit by the capacitor storage unit is made such that an average power peak reduction of about 60% for 6 seconds at a load of 1 C and at an ambient temperature of 20 centigrade
  • this ratio can vary according to the invention within the specified range.
  • the combined current storage system according to the invention can be provided, the measurements of the voltage or other values not only with a measuring method, but with two different
  • Voltage difference between the voltage level with load is the more energy can release parallel connected capacitors.
  • unfavorable developments such as aging process and adverse environmental conditions such as. Compensate cold, which are associated with a reduction in voltage stability, to a certain extent.
  • the present application discloses a method for jointly balancing individual battery cells of an accumulator storage unit and individual capacitors of a capacitor storage unit, whether they are each separate in a separate, self-sufficient system, or whether they Components of a combined power storage system as disclosed are performing the following basic process steps:
  • a combined power storage device according to the invention
  • the power storage system according to the invention has a common management system that controls both the accumulator cells, as well as the capacitors simultaneously.
  • the equalizing currents are decoupled from a single, common charging current of an external position source and individually assignable to each accumulator cell and each capacitor.
  • Fig. 1 is a symbolic and exemplary scheme of a
  • Electricity storage system comprising an accumulator storage unit comprising an accumulator cell and a capacitor storage unit connected in parallel therewith, comprising a battery storage unit
  • Capacitor comprises;
  • FIG. 2 shows a symbolic and exemplary diagram of a preferred embodiment variant of a combined power storage system according to the invention with an accumulator storage unit which comprises a plurality of battery cells connected in series and with a capacitor storage unit connected in parallel therewith, which comprises a plurality of capacitors connected in series;
  • Fig. 3 is a symbolic and exemplary scheme of a further preferred embodiment variant of a
  • a combined power storage system with an accumulator storage unit, which also comprises a plurality of battery cells connected in series and with a capacitor storage unit connected in parallel therewith, which also comprises a plurality of capacitors connected in series, all in a slightly modified basic circuit with a coil ;
  • FIG. 4 shows a symbolic and exemplary diagram of an accumulator-part-management system according to the invention
  • FIG. 6 shows a symbolic and exemplary diagram of the reduction of power peaks along a time axis.
  • Fig. 1 shows in a symbolic and exemplary scheme, a first embodiment variant of a combined power storage system 100 according to the invention, which corresponds insofar as a minimum version than that in Substantially comprises only one storage battery unit 1 with an accumulator cell 2, and a capacitor storage unit 3 with a capacitor 4, and a common accumulator capacitor management system 9.
  • the latter comprises a microcontroller ⁇ .
  • the storage battery unit 1 is connected to a
  • the accumulator-memory unit 1 comprises at the beginning, both at the negative and at the positive line, respectively one switching contact 7a or 7b, both of which can be controlled by means of a coil 6a.
  • the accumulator memory unit 1 further comprises a current sensor 8a, as a signal generator to the accumulator-capacitor management system 9 for an automatic shutdown of the accumulator memory unit 1 by means of the coil 6a and the switch contacts 7a and / or 7b.
  • Switching contacts 7c and 7d controlled by a coil 6b.
  • the switching contacts 7c and 7d can still be used for switching off during relatively long periods of rest, because the capacitor 4 is at a higher level
  • Circuit diagram of a further inventive combined power storage system 100a shown. Again, at a load or external power source 5a, an accumulator memory unit 1a and a capacitor memory unit 3a are connected in parallel by means of a minus line 13c and a plus line 13d.
  • the accumulator memory unit la comprises any number of series-connected accumulator cells 2a-2f, in turn, for clarity, with two separate lines on a part management system 9b
  • a switching contact 7e and 7f are each arranged, both of which are actuated by means of a coil 6c.
  • Memory unit la a current sensor 8c, as a signal generator to the part management system 9b for an automatic shutdown of the accumulator memory unit la by means of the coil 6c and the switch contacts 7e and / or 7f.
  • the capacitor storage unit 3a is constructed analogously to the accumulator memory unit la, with any number of capacitors 4a-4f arranged in series, a current sensor 8d, which is connected to a partial management system 9c.
  • the latter may include a coil 6d for closing
  • Capacitors 4a-4f need not be identical.
  • Capacitor memory unit 3a a further preferably electronically controlled resistor 10 arranged in series.
  • the two sub-management systems 9b and 9c are connected in parallel with a common accumulator-capacitor management system 9a, quasi as
  • a microcontroller ⁇ is shown as part of the master, but it can also include the slaves 9b and 9c which include or additionally.
  • Fig. 3 shows a further preferred
  • Embodiment variant of a combined power storage system 100b according to the invention which is essentially a
  • Accumulator storage unit lb, a capacitor storage unit 3b, and a common accumulator capacitor management system 9d with a microcontroller ⁇ 2 includes.
  • Capacitor memory unit 3b are connected in parallel with a load or external power source 5b by means of lines 13e and 13f. Input of these lines 13e and 13f in the
  • Accumulator storage unit lb are again preferably provided on both lines switching contacts 7k and 71, which are switchable by means of a coil 6e.
  • An analog arrangement is provided in the capacitor storage unit 3b with switching contacts 7m and 7n and a coil 6f.
  • both the accumulator memory unit lb, al also the capacitor memory unit 3b each comprise a current sensor 8e and 8f.
  • a preferably electronically controllable resistor 10a is again arranged, which is bridged by a coil 14.
  • This bridging is connected to the minus line 13e with a switching contact 7i, and the bridging itself can be interrupted or closed with a further switching contact 7j.
  • electronic switches are used for 7i and 7j.
  • Fig. 4 shows schematically and on behalf of all management systems of the present application, the structure of the accumulator-part management system 9b of Fig. 2. It comprises a floating or virtual power source 12, of which , symbolically triggered by the common accumulator-capacitor management system 9a, a boost current I B due to closed individual switches Ile and I11f is just allocated to an accumulator cell 2c. Other preferably single electronic switches lla-lld and llg-111 are open and thus receive further accumulator cells 2a, 2b, 2d-2f just no boost current I B assigned.
  • a first time interval ZIi shows a first pulse load PLi and a second time interval ZI 2 shows a second pulse load PL 2 .
  • the first pulse load PLi was done with capacitors support and the second without. The course of the curves is less steep and abrupt in the pulse load PLi and also the drop is not as deep as in the pulse load PL 2 .
  • the power delivery is through the
  • Fig. 6 shows by means of a graph that at ambient conditions of 20 degrees Celsius and a load of 1 C, the load peaks in a combined power storage system according to the invention within the first 2 seconds are reduced by 80 percent within the next 2 seconds by 55, by 25 within the next 2 seconds and by 10 within the next 2 seconds.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Stromspeicher-System (100a), eine Akkumulatoren-Speichereinheit (la) mit mindestens einer wiederaufladbaren Akkumulator-Zelle (2a-2f) und eine Kondensatoren-Speichereinheit (3a) mit mindestens einem Kondensator (4a-4f) umfassend, wobei die Akkumulatoren- Speichereinheit (la) und die Kondensatoren-Speichereinheit (3a) zueinander parallel geschaltet sind und wobei mittels eines gemeinsamen Management-Systems (9a-9c) sowohl die Akkumulatoren- Speichereinheit (la), als auch die Kondensatoren-Speichereinheit (3a) gleichzeitig steuerbar sind.

Description

Kombiniertes Stromspeieher-System und Management-System hierfür
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Stromspeicher-System, das sowohl mindestens eine
elektrochemische Speichereinheit bzw. mindestens einen
wiederaufladbaren Akkumulator, als auch mindestens eine
Kondensator-Speichereinheit umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Management-System für das kombinierte Akkumulator- Kondensator-Stromspeicher-System, sowie ein Verfahren zum
Ausbalancieren der Akkumulatoren-Zellen und der Kondensatoren.
[0002] Elektrochemische Speichereinheiten wie etwa wiederaufladbare Akkumulatoren oder besser gesagt Akkupacks unterliegen limitierenden Faktoren oder Nachteilen wie etwa einer relativ mäßigen bis guten spezifischen Leistungsdichte, bei beschränkter Lebensdauer und bei relativ mäßigen
Ladewirkungsgraden, d.h. einem Teilverlust der zum Aufladen aufgewandten Energie in freigesetzte Wärme, der dem inneren Widerstand der Zellen geschuldet ist. Und weiterhin
nachteiligerweise steigen die Innenwiderstände der Zellen zusätzlich bzw. sinkt der Ladewirkungsgrad zusätzlich, sofern man mit hohen Strömen schnell laden oder hohe Leistungsspitzen abverlangt, Letzteres ist mit dem sogenannten Peukert-Effekt bzw. dem rate-capacity effect beschrieben.
[0003] Die Abhängigkeit von Temperatur und
Alterungsprozessen sowie die Selbstentladung stellen für elektrochemische Speichereinheiten ebenfalls limitierende nachteilige Faktoren dar.
[0004] Es ist weiterhin nachteilig, wenn die Lebensdauer der elektrochemischen Speichereinheiten durch ihre
Zyklenfestigkeit begrenzt ist und wenn die Ladezeiten relativ lang sind, zumindest um eine volle Ladung zu erreichen. Außerdem ist bei wiederaufladbaren Akkumulatoren immer eine Ladekontrolle notwendig . [0005] Kondensator-Speichereinheiten im Sinne der
vorliegenden Erfindung hingegen wie etwa Kondensatoren oder Superkondensatoren mit festen Kapazitätswerten, oder aber auch variable Kondensatoren mit einstellbaren Kapazitätswerten, eignen sich als Speicher von elektrischer Ladung und der damit zusammenhängenden Energie im Unterschied zu elektrochemischen Speichereinheiten wegen ihres niedrigen Innenwiderstandes insbesondere für hohe Leistungsaufnahmen oder -abgaben, in einem zeitlich begrenzteren Rahmen. Im Rahmen der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung sollen alle gängigen Typen von
Festkondensatoren liegen, also sowohl elektrostatische
Kondensatoren wie z.B. Vakuum-, Luft-, Glimmer-, Glas-,
Silizium-, Keramik-, Kunststofffolien- oder Papierkondensatoren, als auch Elektrolytkondensatoren sowie auch elektrochemische
( Super- ) Kondensatoren wie etwa Doppelschicht-, Pseudo- und Hybridkondensatoren. Aber auch variable Dreh- oder
Trimmerkondensatoren sollen im Rahmen der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung liegen.
[0006] Im Allgemeinen sind die Vorteile von Kondensatoren gegenüber wiederaufladbarer Akkupacks deren hohe Leistungsdichte mit hoher Spitzenstrombelastbarkeit, des Weiteren die deutlich größere Zyklusfestigkeit, die kurzen Ladezeiten, der
wartungsfreie Betrieb und die lange Lebensdauer. Im Vergleich nachteilig hingegen sind der höhere Preis, die geringere
Energiedichte, bei bestimmten Kondensator-Typen eine hohe
Selbstentladungsrate und die Tatsache, dass Kondensatoren immer eine Leistungselektronik brauchen.
[0007] Es gibt Stromspeicher-Systeme, die wiederaufladbare
Akkus mit Kondensatoren kombinieren und die jeweiligen Nachteile der einen Stromspeicher-Gattung mit den jeweiligen Vorteilen der anderen Stromspeicher-Gattung zu kompensieren suchen. Im
Wesentlichen geht es darum, die Vorteile der relativ hohen Energiedichte von Akkumulatoren und der hohen Leistungsdichte von Kondensatoren, Super- oder Ultracaps miteinander zu
vereinen . [0008] Generell jedoch ist die Nennspannung von
Kondensatoren auf einen relativ geringen Wert limitiert, der meistens unterhalb des Wertes der erforderlichen
Betriebsspannung der Anwendung liegt. Somit kommen solche mit Kondensatoren kombinierten Stromspeicher-Systeme meistens nicht ohne Reihenschaltungen mehrerer Kondensatoren aus, bei denen sich die einzelnen Teilspannungen addieren. Hierbei erhält der Kondensator mit der kleinsten Kapazität die größte Teilspannung. Bei Gleichspannung erfordert das In-Reihe-Schalten mehrerer gleichartiger Kondensatoren eine Spannungssymmetrierung mittels jeweils parallel geschalteter Widerstände, weil sonst derjenige Kondensator mit der zufällig kleinsten Kapazität die höchste
(möglicherweise zerstörerisch hohe) Spannung bekommt. Da grundsätzlich jeder Kondensator kleine Unterschiede in seinen Eigenschaften gegenüber den anderen Exemplaren aufweist, z.B. beim ESR-Wert (Ersatzserienwiderstand bzw. innerer
Verlustwiderstand) , ist es notwendig, die Kondensatoren mittels einer passiven Symmetrierung - wie oben erwähnt, beispielsweise mit Widerständen - oder mittels einer aktiven Symmetrierung mit einer elektronischen Steuerschaltung auszubalancieren.
[0009] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, unter
Vermeidung der oben aufgezeigten Nachteile, ein neues
kombiniertes Stromspeicher-System von Akkumulatoren und
Kondensatoren sowie ein Management-System hierfür zu stellen, das generell in seinen Eigenschaften, seiner Anwendung und seiner Lebensdauer optimiert ist. Insbesondere sollen
Leistungsaufnahme und -abgäbe verbessert sein, bei
gleichzeitiger Schonung der Akkumulator-Zellen.
[0010] Die Lösung der Aufgabe besteht zunächst in der
Konzeption bzw. Anordnung eines kombinierten Stromspeicher- Systems, bei dem eine Akkumulatoren-Speichereinheit bzw. ein Akkumulatoren-Modul mindestens eine wiederaufladbare
Akkumulator-Zelle umfasst und - in Parallelschaltung hierzu angeordnet - eine Kondensatoren-Speichereinheit bzw. ein
Kondensatoren-Modul mindestens einen Kondensator. Dieses kombinierte Stromspeicher-System umfasst des Weiteren mindestens ein gemeinsames Management-System, das sowohl die Akkumulatoren- Speichereinheit, als auch die Kondensatoren-Speichereinheit gleichzeitig steuert.
[0011] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems bilden mindestens zwei in Reihe geschaltete Akkumulator-Zellen die Akkumulatoren-Speichereinheit und mindestens zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren die Kondensatoren-Speichereinheit. Die Akkumulatoren-Speichereinheit und die Kondensatoren- Speichereinheit hingegen bleiben in Parallelschaltung zueinander angeordnet .
[0012] Das erfindungsgemäße gemeinsame Management-System eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems kann separate Teilmanagement-Systeme umfassen, mindestens ein erstes für die Akkumulatoren-Speichereinheit und mindestens ein zweites für die Kondensatoren-Speichereinheit. Diese Teilmanagement- Systeme bleiben aber jedenfalls mit dem erfindungsgemäßen gemeinsamen Akkumulatoren-Kondensatoren-Management-System verbunden, das letztlich und erfindungsgemäß immer beide
Speichereinheiten gemeinsam steuern kann.
[0013] Des Weiteren zeichnet sich ein erfindungsgemäßes kombiniertes Stromspeicher-System dadurch aus, dass das
gemeinsame Management-System, sowohl die einzelnen Akkumulator- Zellen, als auch die einzelnen Kondensatoren gemeinsam steuern und ausbalancieren oder symmetrieren kann. Dieses für sich betrachtet erfindungsgemäße Management-System kann also nicht mehr als Batterie-Management-System (BMS) bezeichnet werden, sondern vielleicht als Akkumulatoren-Kondensatoren-Management- System.
[0014] So ein erfindungsgemäßes Management-System ist einerseits ein aktives Management-System, d.h., es wird nicht ein Ladungsüberschuss einer Zelle passiv in Wärme umgewandelt, sondern aktiv mittels eines Ausgleichsstroms die Symmetrierung zwischen den einzelnen Akkumulator-Zellen oder/und den einzelnen Kondensatoren vorgenommen. Dadurch entstehen kaum
Energieverluste und kaum Hitzeentwicklung, die wiederum eine Kühlung oder Lüftung erforderlich machen würde.
[0015] Die Ausgleichs- oder Boostströme eines
erfindungsgemäßen Management-Systems sind von einem gesamten, einheitlichen Ladestrom einer externen Ladequelle entkoppelt und weiterhin erfindungsgemäß mittels eines separaten oder in das Management-System integrierten Mikrocontrollers , gezielt pro Akkumulator-Zelle oder Kondensator steuerbar. Herkömmlicherweise gibt es einen einzigen, gesamten Ladestrom, der undifferenziert alle Zellen gleichermaßen lädt. Sobald bei einer Zelle
beispielsweise eine Ladungsenergie von 90% erreicht ist, wird bei bekannten aktiven Management-Systemen der Ladestrom stark reduziert und die Energie wird jeweils von der Zelle mit der höchstens Spannung durch Umlagerung von Zelle zu Zelle zur schwächsten transportiert. Dieses Umlagern führt unter anderem zu einer Unruhe im Speichersystem und der Ausgleich dauert lange .
[0016] Ein erfindungsgemäßes Management-System ist hingegen so ausgelegt, dass es eine potenzialfreie, sogenannte „virtuelle" Stromquelle innerhalb des Systems bildet, die unabhängig von einer externen Ladequelle und auch unabhängig von dem jeweiligen Betriebszustand des kombinierten Stromspeicher- Systems, eine Stromquelle für den Ausgleich darstellt. Der Strom dieser virtuellen Stromquelle ist weiterhin erfindungsgemäß mittels einzeln ansteuerbarer Schalter, vorzugsweise
elektronischer, in jeweils pro Akkumulator-Zelle oder
Kondensator einzeln zuweisbare Boostströme „aufteilbar" bzw. schaltbar. Dadurch ist jede beliebige Akkumulator-Zelle einzeln oder jeder Kondensator einzeln und gezielt ansteuerbar,
unabhängig vom ihrem oder seinem Betriebszustand oder dem SoC
(State of Charge) oder dem SoH (State of Health) .
[0017] Weiterhin erfindungsgemäß ist das Management-System ebenfalls durch die beschriebene virtuelle Stromquelle und die beschriebenen Einzelschalter, nicht wie üblicherweise nach unten, sondern nach oben nivellier- bzw. balancierbar. Mit anderen Worten könnte man das erfindungsgemäße Management-System als progressiv und nicht degressiv bezeichnen, weil nicht stärkere Zellen auf ein niedrigeres Ladeniveau heruntergeregelt werden, sondern die schwächeren hinauf auf das Ladeniveau der stärkeren .
[0018] Des Weiteren kann es vorgesehen sein, bzw. das erfindungsgemäße Stromspeicher-System so ausgelegt sein, dass die mikrocontroller- und schaltergesteuerte Zuweisung der
Boostströme sowohl wie bereits beschrieben mittels eines aus der virtuellen Stromquelle entnommenen Stromes erfolgen kann, als auch mittels eines Stromes aus einer externen Stromquelle, sowie mittels eines Stromes aus einem Teilsystem eines mehrfach kombinierten erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher- Systems .
[0019] Es ist nämlich weiterhin möglich, Anschlüsse vorzusehen, sodass ein erstes erfindungsgemäßes kombiniertes Stromspeicher-System in Form eines Teilsystems mit mindestens einem zweiten erfindungsgemäßen Stromspeicher-System in Form eines weiteren Teilsystems zusammenschaltbar ist, nach Wahl sowohl in Reihe, als auch parallel.
[0020] In dem Mikrocontroller ist vorzugsweise ein
Algorithmus zur Bestimmung der optimalen Verteilung der
Boostströme hinterlegt. In diesem Algorithmus ist vorzugsweise definiert, wie der jeweilige Zustand der jeweiligen Akkumulator Zelle oder des jeweiligen Kondensators anhand von welchen
Sensordaten ermittelbar ist. Der Algorithmus definiert des Weiteren, dass auf die ermittelten schwächsten Akkumulator- Zellen oder Kondensatoren oder aber auch Teilsysteme anzahlmäßi mehr oder/und über längere Zeitintervalle oder/und eventuell höhere Boostströme zuteilbar sind. Den „stärksten" Akkumulator- Zellen bzw. Kondensatoren bzw. Teilsystemen werden unter
Umständen keine Boostströme zugeteilt. [0021] Der Algorithmus kann des Weiteren vorsehen, dass die Höhe der Boostströme variabel sein kann, z.B. in
Abhängigkeit vom SoC und/oder SoH und/oder von der Anzahl der zu boostenden Zellen und/oder von dem herrschenden
Ladungsunterschied .
[0022] Der Algorithmus definiert des Weiteren vorzugsweise
Schwellenwerte, die ein „Arbeitsfenster" des Boostens
definieren, d.h., sowohl ab welchen Ladungsunterschieden, als auch bis zu welchen ausgeglichen wird. Der obere Schwellenwert soll verhindern, dass ein unnötig Energie verbrauchender
Ausgleich auf einem Ladeunterschieds-Niveau noch stattfindet, das bereits tolerabel oder gar irrelevant niedrig ist. Der untere Schwellenwert soll verhindern, dass eine komplett oder zu stark entladene Zelle ins Boosten aufgenommen wird, anstatt ausgewechselt zu werden.
[0023] Der MikroController bzw. der hinterlegte
Algorithmus sind so ausgelegt, dass ein dynamischer Ausgleich stattfindet. Der angestrebte ausgeglichene Status kann mal höher, mal tiefer liegen. Entscheidend soll die Dauer des
Ausgleichens und die Schonung der Zellen sein. Es wurde erkannt, dass ein guter ausgeglichener Status früher erreicht sein kann, als gleichzeitig alle schwachen Zellen auf ein höchstes
Ladungsniveau zu boosten, so wie es übliche Batteriemanagement- Systeme tun.
[0024] Des Weiteren sind der Mikrocontroller und der hinterlegte Algorithmus so ausgelegt, dass Boost-Reihenfolgen oder -Hierarchien vorgegeben sind. So werden beispielsweise zuerst das oder die schwächsten Teilsysteme ausgeglichen, und erst dann das ganze System.
[0025] Das Ziel all dieser Maßnahmen ist die Schaffung einer intelligenten Steuerung, die unnötige Ausgleichsvorgänge vermeidet, bei gleichzeitig möglichst zeitsparender und
zellenschonender Funktionsweise. [0026] Des Weiteren ist ein erfindungsgemäßes
Akkumulatoren-Kondensatoren-Management-System durch die
beschriebenen Komponenten Einzelschalter und virtuelle
Stromquelle, sowie durch den Mikrocontroller in der Lage, in jedem Betriebsstadium des Stromspeicher-Systems zu
funktionieren. Das Ausbalancieren oder Symmetrieren der
einzelnen Akkumulator-Zellen oder/und Kondensatoren oder/und Teilsysteme kann hierbei nicht nur während eines Ladeprozesses, sondern auch unter Last beim Entladen, als auch im Ruhezustand erfolgen .
[0027] Ein erster Indikator zur Ermittlung, welche
Akkumulator-Zellen, Kondensatoren oder Teilsysteme überhaupt geboostet werden sollen, ist der sogenannte SoC (State of
Charge) oder Ladestand einer jeweiligen Akkumulator-Zelle oder eines jeweiligen Kondensators oder eines jeweiligen Teilsystems. Dieser SoC ist erfindungsgemäß nicht nur während eines
Ladeprozesses, sondern auch beim Entladen oder in einem
Ruhemodus eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher- Systems anzeigbar. Ein zweiter Indikator ist der sogenannte SoH
(State of Health) einer jeweiligen Akkumulator-Zelle oder eines jeweiligen Kondensators oder eines jeweiligen Teilsystems. Diese beiden Indikatoren umfassen üblicherweise die Messung und die Prüfung der Spannung, der Temperatur und des Innenwiderstandes. Es können zur Ermittlung des SoC und des SoH auch chemische und drucksensorische Messungen hinzukommen.
[0028] Weiterhin erfindungsgemäß ist der Mikrocontroller so ausgelegt, dass er einen weiteren Indikator erfassen kann, nämlich die Anzahl der Boosts pro Zeitintervall. Die Vorrichtung hierfür soll Boost Counter bezeichnet werden. Mit Boost wird in der vorliegenden Patentanmeldung der pro Akkumulator-Zelle, Kondensator oder Teilsystem jeweils einzeln steuerbare Ladestrom bezeichnet. Dadurch, dass durch ein erfindungsgemäßes
Akkumulatoren-Kondensatoren-Management-System immer dann, wenn erforderlich, automatisch für die jeweilige Akkumulator-Zelle oder den jeweiligen Kondensator oder das jeweilige Teilsystem der erforderliche Lade- oder Ausgleichsstrom zugeteilt wird, ergibt eine Erfassung bzw. Zählung der Boosts einen direkten Rückschluss auf die Kapazität der jeweiligen Akkumulator-Zelle oder des jeweiligen Kondensators oder des jeweiligen
Teilsystems, und zwar sowohl unter Last, als auch beim Laden un> als auch bei keinem der beiden Zustände, d.h., in einem
Ruhezustand. Denn die Boost-Interventionen pro Zeit zeigen einerseits, welche Akkumulator-Zellen oder Kondensatoren oder Teilsysteme beim Laden oder unter Last das ungünstigste
Innenwiderstandsverhalten aufweisen. Andererseits aber auch, welche Akkumulator-Zellen oder Kondensatoren oder Teilsysteme, wenn nicht unter Lastbeanspruchung, die höchsten
Selbstentladungsraten aufweisen. Auf diese Weise ist weiterhin erfindungsgemäß ein weiterer Indikator eingeführt, mit Hilfe dessen die Erfassung des Zustandes der einzelnen Akkumulator- Zellen oder Kondensatoren oder Teilsysteme genauer als bisher erfolgt und so die Ausbalancierung bzw. Symmetrierung nochmals verbessert ist. Die Auswertung dieser Boost-Counter-Daten kann außerdem dazu beitragen, mögliche Ausfälle frühzeitig zu erkennen .
[0029] Um in der Lage zu sein, die beiden
Speichereinheiten eines erfindungsgemäßen kombinierten
Stromspeicher-Systems nach Bedarf ein- und auszuschalten, aber auch, um aus Sicherheitsgründen auf unvorhergesehene
Betriebszustände wie etwa einen zu hohen Strom reagieren zu können, umfassen vorzugsweise beide Speichereinheiten jeweils mindestens einen Schaltkontakt, der bzw. die weiterhin
vorzugsweise mit jeweils mindestens einer Spule schaltbar ist bzw. sind.
[0030] Optional ist an den Speichereinheiten oder
vorzugsweise mindestens an der Kondensatoren-Speichereinheit eingangs ein elektronisch steuerbarer Widerstand angeordnet. Dieser Widerstand erfüllt einerseits den Zweck, die
Leistungsabgabe oder -aufnähme zu dämpfen. Andererseits ist mittels dieses elektronisch steuerbaren Widerstandes der
Energiefluss im Gesamtsystem des erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeichers steuerbar im Sinne dessen, dass eine Einflussnahme auf das Verhältnis zwischen Akkumulatoren-Strom und Kondensatoren-Strom ermöglicht ist. Eine weitere, optionale Funktion dieses elektronisch steuerbaren Widerstandes ist eine Schutzfunktion des Systems durch eine zeitweilige
Widerstandserhöhung beispielsweise beim Einschalten oder generell bei stark unterschiedlichen Spannungen zwischen der Akkumulatoren- und der Kondensatoren-Speichereinheit.
[0031] Weiterhin optional, anstelle oder aber auch zusätzlich zu dem beschriebenen elektronisch steuerbaren
Widerstand kann eine Schaltung zur Spannungsanpassung angeordnet sein, die mindestens eine Spule und mindestens zwei damit steuerbare Schaltkontakte umfasst.
[0032] In dem Mikrocontroller ist vorzugsweise eine
Software vorgesehen, die zusammen mit entsprechender Hardware die Durchführung von Selbsttests bzw. Plausibilitätskontrollen der angezeigten Ist-Zustände und erfassten oder gemessenen Werten ermöglicht.
[0033] Ein erfindungsgemäßes kombiniertes Stromspeicher-
System umfasst vorzugsweise mindestens einen Strom-Sensor als Signalgeber für den Mikrocontroller des Akkumulatoren- Kondensatoren-Management-Systems für ein automatisches
Abschalten oder eine Limitierung der Last. Der Strom-Sensor ist außerdem wichtig für die Bestimmung des SoC und des SoH.
[0034] Weiterhin umfasst ein erfindungsgemäßes
Akkumulatoren-Kondensatoren-Management-System vorzugsweise eine Alarmausgabe-Schnittstelle, beispielsweise für die Ausgabe eines optischen oder/und akustischen Alarmsignals oder für das
Absetzen einer SMS oder einer Mitteilung an den Server oder andere übergeordnete Systeme.
[0035] Ein erfindungsgemäßes kombiniertes Stromspeicher-
System verfügt vorzugsweise über ein Display zur Darstellung der stattfindenden Prozesse, darüber hinaus jedoch mindestens über ein Kommunikationsmodul für systemexterne Kommunikation, vorzugsweise bidirektional. Dieses kann ein serielles,
paralleles oder TCPIP- oder Ethernet- oder WLA - oder ELDAT- oder Funk- oder Bluetooth- oder ZIGBee- oder K X- oder CAN-Bus oder Token-Ring-basiertes Interface sein oder Kombinationen hiervon. Ein GSM-Modul kann für das Absetzen von SMSes
vorgesehen sein. Für mobile Anwendungen, beispielsweise in einem Elektromobil, kann ein GPS-Modul angeordnet sein.
[0036] Die Kommunikation nach oben beschriebenen
Kommunikationsarten ist vorzugsweise verschlüsselt und signiert.
[0037] Des Weiteren umfasst ein erfindungsgemäßes
Akkumulatoren-Kondensatoren-Management-System eine
Benutzereingabe-Schnittstelle für ein integriertes oder ein externes Display mit Eingabemöglichkeit. Diese Benutzereingabe- Schnittstelle sieht vorzugsweise auch eine Fernbedienung vor, aber auch die Möglichkeit einer Fernwartung mittels einer IP- Adresse oder/und eines Servers.
[0038] Ein erfindungsgemäßes kombiniertes Stromspeicher-
System kann, nebst einer Kühl- und/oder Belüftungsvorrichtung für das Stromspeicher-System selbst, optional eine
Kühlvorrichtung für das Ladekabel bzw. für die Kabel und die Anschlüsse aufweisen, mit denen es mit der Last bzw. einer externen Stromquelle verbunden ist. Es wurde nämlich
festgestellt, dass der Stromverbrauch für eine adäquate Kühlung geringer sein kann als die Verluste der Anschlusswiderstände.
[0039] Des Weiteren ist ein erfindungsgemäßes kombiniertes
Stromspeicher-System vorzugsweise modular als Rack bzw. Gestell mit Profilschienen aufgebaut und auf diese Weise auf
unterschiedliche Größen bzw. Leistungen beliebig skalierbar.
[0040] Optional kann das Rack als Gehäuse ausgestaltet sein, das vorzugsweise als ein gegen Berührung, Fremdkörper und Feuchtigkeit geschütztes System ausgestaltet ist. Der Schutzgrad nach IP kann in einem Bereich von IP21XX bis IP68DH liegen, je nach Anwendung des kombinierten Stromspeicher-Systems, beispielsweise sogar als Antriebseinheit von Wasserfahrzeugen. Innerhalb des genannten Bereiches liegt der gewählte Schutzgrad vorzugsweise bei IP53XX, um ab Werk den meisten
Anwendungsgebieten zu genügen.
[0041] Ein erfindungsgemäßes kombiniertes Stromspeicher-
System verfügt vorzugsweise über einen sogenannten
nichtflüchtigen Sicherheitsspeicher für die Systemdaten. Darüber hinaus werden diese Systemdaten vorzugsweise mittels oben beschriebener Schnittstellen an einen Server übermittelt.
[0042] Die Spannungsversorgung der Steuerung eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems beträgt vorzugsweise 12 Volt. Die Isolationsspannung beträgt
vorzugsweise 400 Volt.
[0043] Ein Print, d.h. eine Akkumulatoren- oder
Kondensatoren-Speichereinheit, ist so ausgelegt, dass es vorzugsweise acht einzelne, in Reihe geschaltete Akkumulator- Zellen oder acht einzelne, in Reihe angeordnete Kondensatoren umfasst .
[0044] Ein erfindungsgemäßes Stromspeicher-System zeichnet sich durch ein bestimmtes Verhältnis aus, das zwischen der Nennkapazität der Akkumulatoren-Speichereinheit in Wattstunden und der Nennkapazität der Kondensatoren-Speichereinheit, ebenfalls in Wattstunden, ausgewählt ist. Dieses Verhältnis zwischen Akkumulatoren- und Kondensatoren-Kapazität liegt in einem Bereich von 1:1 bis 1:200 und beträgt vorzugsweise annähernd 1:80. Es wurde nämlich herausgefunden, dass bei diesem Verhältnis eine optimale Pufferung der Akkumulatoren- Speichereinheit durch die Kondensatoren-Speichereinheit erfolgt, dahingehend, dass eine durchschnittliche Leistungsspitzen- Reduktion von rund 60% während 6 Sekunden bei einer Last von 1 C und bei einer Umgebungstemperatur von 20 Grad Celsius
stattfindet .
[0045] Je nach Anwendungsbereich, beispielsweise stationärem oder mobilem, und je nach Anforderungsprofil kann dieses Verhältnis erfindungsgemäß innerhalb des angegebenen Bereichs variieren.
[0046] Aus Redundanzgründen kann es bei einem
erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-System vorgesehen sein, die Messungen der Spannung oder anderer Werte nicht nur mit einer Messmethode, sondern mit zwei unterschiedlichen
Messmethoden vorzunehmen.
[0047] Der Fokus des Technologieansatzes der vorliegenden
Erfindung liegt im Gegensatz zu bekannten Konzepten, wonach Kondensatoren als äußerst schnellladefähige Traktionsspeicher im Mittelpunkt stehen, hauptsächlich in der Reduzierung von
Lastspitzen und somit Schonung der Akkumulatoren-Zellen, bei gleichzeitiger prägnanter Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems .
[0048] Ein physikalisch bedingtes Gesetz erhöht zudem di
Wirksamkeit des Technologieansatzes. Das heißt, dass mit der Erhöhung des Laststromes die Entladungstiefe und somit die nutzbare Kapazität der Kondensatoren zunimmt, also gerade dann wenn man sie am meisten braucht. Denn je größer der
Spannungsunterschied zwischen dem Spannungsniveau mit Last ist desto mehr Energie können parallel geschaltete Kondensatoren freisetzen. Somit lassen sich ungünstige Entwicklungen wie z.B Alterungsprozess und ungünstige Umgebungssituationen wie z.B. Kälte, die mit einer Verminderung der Spannungsstabilität einhergehen, zu einem gewissen Teil kompensieren.
[0049] Die offenbarten unterschiedlichen
Ausgestaltungsvarianten eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems sind hinsichtlich der nicht
grundfunktionsrelevanten Merkmale beliebig miteinander
kombinierbar. So sind beispielsweise beide beschriebenen Grund- Ausgestaltungsvarianten eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems, also die Minimalversions-
Ausgestaltungsvariante mit nur einer Akkumulatoren-Zelle und nur einem Kondensator oder die bevorzugte Ausgestaltungsvariante mit mehreren Akkumulatoren-Zellen und mehreren Kondensatoren gleichermaßen mit den beschriebenen Management-Systemen
kombinierbar, egal, ob es ein einziges, kombiniertes Management- System ist, oder eines mit separaten Teil-Management-Systemen für die Akkumulatoren-Speichereinheit und die Kondensatoren- Speichereinheit. Das Gleiche gilt für die Teilsysteme eines aus mehreren Teilsystemen bestehenden erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems. Diese Teilsysteme müssen nicht identisch sein. Alle sich hieraus ergebenden Ausgestaltungsvarianten sind gleichermaßen und reziprok, einzeln und gesamthaft, kombinierbar mit den in den Absätzen [0014] bis [0041] aufgezählten
Merkmalen .
[0050] Die vorliegende Anmeldung offenbart ein Verfahren zum gemeinsamen Symmetrieren bzw. gemeinsamen Ausbalancieren einzelner Akkumulator-Zellen einer Akkumulatoren-Speichereinheit und einzelner Kondensatoren einer Kondensatoren-Speichereinheit, sei es, ob diese jeweils separat in einem eigenen, autarken System sind, oder ob sie Bestandteile eines wie offenbarten kombinierten Stromspeicher-Systems sind, unter Ausführung folgender grundsätzlicher Verfahrensschritte:
a) - Sensorisches Erfassen der Daten zur Spannung, Stromstärke, Temperatur und Zeit aller Akkumulatoren-Zellen oder/und aller Kondensatoren;
b) - Erfassen der Boost-Counter-Daten der Akkumulator-Zellen oder/und der Kondensatoren, in ihrer Anzahl und in ihrer
Stromstärke, beim Laden und/oder beim Entladen und/oder im Ruhezustand, jeweils innerhalb des ganzen Lebens und/oder in mehreren spezifischen Zeitintervallen;
c) - Auswerten aller erfassten Daten und Berechnen des SoC jeder Akkumulator-Zelle oder/und jedes Kondensators;
d) - Berechnen des SoH jeder Akkumulator-Zelle oder/und jedes Kondensators ;
e) - Auswerten des SoC und des SoH und Ermitteln der zu
boostenden Akkumulator-Zellen oder/und Kondensatoren;
f) - Zuweisen der Boostströme mittels der Einzelschalter und der Steuerung der potenzialfreien Stromquelle. [0051] Ein erfindungsgemäßes kombiniertes Stromspeicher-
System bringt folgende Vorteile:
- Es vereint die Vorteile von Akkumulatoren mit denen von Kondensatoren .
- Die für die Akkumulator-Zellen schädlichen Leistungsspitzen sind durch die Kondensatoren gepuffert.
- Die Leistungsabgabe und die -aufnähme sind erhöht.
- Die Zyklenstärke der Akkumulator-Zellen ist erhöht.
- Die Lebensdauer der Akkumulator-Zellen ist erhöht.
- Das erfindungsgemäße Stromspeicher-System verfügt über ein gemeinsames Management-System, das sowohl die Akkumulator- Zellen, als auch die Kondensatoren gleichzeitig steuert.
- Das Management-System bzw. das Ausbalancieren oder
Symmetrieren der einzelnen Akkumulator-Zellen und Kondensatoren funktioniert in jedem Betriebsstadium des Stromspeicher-Systems
- Die Ausgleichsströme sind von einem einzigen, gemeinsamen Ladestrom einer externen Lagequelle entkoppelt und einzeln jede Akkumulator-Zelle und jedem Kondensator zuweisbar.
- Es findet ein aktives Ausbalancieren statt, das schneller und energieverlustfreier als ein passives ist.
- Die Hitzeentwicklung und der Kühl- oder Lüftungsbedarf ist gering .
[0052] Weitere oder vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems bilden die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
[0053] Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der
Offenbarung .
[0054] Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert. Die Figuren werden
zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Sie stellen schematische und beispielhafte Darstellungen dar und sind nicht maßstabsgetreu, auch in der Relation der einzelnen Bestandteile zueinander nicht. Gleiche Bezugszeichen bedeuten das gleiche Bauteil, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indizes geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.
[0055] Es zeigen dabei
Fig. 1 ein symbolisches und beispielhaftes Schema einer
Minimalversion eines erfindungsgemäßen kombinierten
Stromspeicher-Systems mit einer Akkumulatoren-Speichereinheit, die eine Akkumulator-Zelle umfasst und mit einer hierzu paralle geschalteten Kondensatoren-Speichereinheit, die einen
Kondensator umfasst;
Fig. 2 ein symbolisches und beispielhaftes Schema einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems mit einer Akkumulatoren- Speichereinheit, die mehrere in Reihe geschaltete Akkumulator- Zellen umfasst und mit einer hierzu parallel geschalteten Kondensatoren-Speichereinheit, die mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren umfasst;
Fig. 3 ein symbolisches und beispielhaftes Schema einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsvariante eines
erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems mit einer Akkumulatoren-Speichereinheit, die ebenfalls mehrere in Reihe geschaltete Akkumulator-Zellen umfasst und mit einer hierzu parallel geschalteten Kondensatoren-Speichereinheit, die ebenfalls mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren umfasst, all das in einer leicht modifizierten Grundschaltung mit einer Spule;
Fig. 4 ein symbolisches und beispielhaftes Schema eines erfindungsgemäßen Akkumulatoren-Teil-Management-Systems ;
Fig. 5 ein symbolisches und beispielhaftes Schaubild,
Spannungskurve und Stromstärkenverlauf unter je einer Pulslast darstellend, einmal mit Kondensator-Unterstützung und
vergleichsweise dazu einmal ohne, und
Fig. 6 ein symbolisches und beispielhaftes Schaubild über die Reduktion der Leistungsspitzen entlang einer Zeitachse.
[0056] Die Fig. 1 zeigt in einem symbolischen und beispielhaften Schema eine erste Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems 100, das insofern einer Minimalversion entspricht, als dass es im Wesentlichen lediglich eine Akkumulatoren-Speichereinheit 1 mit einer Akkumulator-Zelle 2 umfasst, sowie eine Kondensatoren- Speichereinheit 3 mit einem Kondensator 4, sowie ein gemeinsames Akkumulatoren-Kondensatoren-Management-System 9. Das Letztere umfasst einen Mikrocontroller μθ .
[0057] Die Akkumulatoren-Speichereinheit 1 ist an eine
Last bzw. externe Stromquelle 5 mittels einer Minus-Leitung 13a und einer Plus-Leitung 13b angeschlossen und die Kondensatoren- Speichereinheit 3 ebenfalls, jedenfalls jedoch in
Parallelschaltung zueinander. Die Akkumulator-Speichereinheit 1 umfasst eingangs, sowohl an der Minus-, als auch an der Plus- Leitung, jeweils einen Schaltkontakt 7a bzw. 7b, die beide mittels einer Spule 6a ansteuerbar sind. Die Akkumulatoren- Speichereinheit 1 umfasst des Weiteren einen Strom-Sensor 8a, als Signalgeber an das Akkumulatoren-Kondensatoren-Management- System 9 für ein automatisches Abschalten der Akkumulatoren- Speichereinheit 1 mittels der Spule 6a und den Schaltkontakten 7a und/oder 7b.
[0058] Einen analogen Aufbau weist die Kondensatoren-
Speichereinheit 3 auf, mit einem Strom-Sensor 8b und mit
Schaltkontakten 7c und 7d, gesteuert von einer Spule 6b.
Insbesondere bei der Kondensatoren-Speichereinheit 3 können die Schaltkontakte 7c und 7d noch einem Abschalten bei längeren Ruhephasen dienen, weil der Kondensator 4 einer höheren
Selbstentladungsrate als die Akkumulator-Zelle 2 unterliegt.
[0059] In der Fig. 2 ist in einem symbolischen
Schaltschema ein weiterhin erfindungsgemäßes kombiniertes Strom- Speichersystem 100a dargestellt. Erneut sind an einer Last oder externen Stromquelle 5a eine Akkumulator-Speichereinheit la und eine Kondensatoren-Speichereinheit 3a in Parallelschaltung mittels einer Minus-Leitung 13c und einer Plus-Leitung 13d angeschlossen .
[0060] Die Akkumulatoren-Speichereinheit la umfasst beliebig viele in Reihe geschaltete Akkumulator-Zellen 2a-2f, die wiederum der besseren Verständlichkeit halber mit zwei separaten Leitungen an einem Teil-Management-System 9b
angeschlossen dargestellt sind.
[0061] Da, wo die Leitungen 13c und 13d in die
Akkumulatoren-Speichereinheit la eintreten, sind jeweils ein Schaltkontakt 7e und 7f angeordnet, die beide mittels einer Spule 6c betätigter sind.
[0062] Des Weiteren umfasst die Akkumulatoren-
Speichereinheit la einen Strom-Sensor 8c, als Signalgeber an das Teil-Management-System 9b für ein automatisches Abschalten der Akkumulatoren-Speichereinheit la mittels der Spule 6c und den Schaltkontakten 7e und/oder 7f.
[0063] Die Kondensatoren-Speichereinheit 3a ist analog zu der Akkumulatoren-Speichereinheit la aufgebaut, mit beliebig vielen in Reihe angeordneten Kondensatoren 4a-4f, einem Strom- Sensor 8d, der mit einem Teil-Management-System 9c verbunden ist. Das Letztere kann eine Spule 6d zum Schließen von
Schaltkontakten 7g und 7h ansteuern.
[0064] Die Anzahl der Akkumulatoren-Zellen 2a-2f und der
Kondensatoren 4a-4f muss nicht identisch sein.
[0065] Optional, also auch bei der Minimalversion eines kombinierten Stromspeicher-Systems 100 aus der Fig. 1 möglich, ist vorzugsweise an der Plus-Leitung 13d eingangs zu der
Kondensatoren-Speichereinheit 3a ein weiterhin vorzugsweise elektronisch gesteuerter Widerstand 10 in Reihe angeordnet.
[0066] Die beiden Teilmanagement-Systeme 9b und 9c sind parallel geschaltet mit einem gemeinsamen Akkumulatoren- Kondensatoren-Management-System 9a verbunden, quasi als
Subsysteme oder Slaves mit einem Master. Ein Mikrocontroller μθι ist als Bestandteil des Masters dargestellt, es können aber auch die Slaves 9b und 9c welche umfassen oder zusätzlich umfassen. [0067] Die Fig. 3 zeigt eine weiterhin bevorzugte
Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-Systems 100b, das im Wesentlichen eine
Akkumulatoren-Speichereinheit lb, eine Kondensatoren- Speichereinheit 3b, sowie ein gemeinsames Akkumulatoren- Kondensatoren-Management-System 9d mit einem Mikrocontroller μθ2 umfasst. Die Akkumulatoren-Speichereinheit lb und die
Kondensatoren-Speichereinheit 3b sind mittels Leitungen 13e und 13f parallel mit einer Last bzw. externen Stromquelle 5b verbunden. Eingangs dieser Leitungen 13e und 13f in die
Akkumulatoren-Speichereinheit lb sind erneut vorzugsweise an beiden Leitungen Schaltkontakte 7k und 71 vorgesehen, die mittels einer Spule 6e schaltbar sind. Eine analoge Anordnung ist bei der Kondensatoren-Speichereinheit 3b mit Schaltkontakten 7m und 7n und einer Spule 6f vorgesehen.
[0068] Wie bei den bisherigen Ausgestaltungsvarianten auch, umfasst sowohl die Akkumulatoren-Speichereinheit lb, al auch die Kondensatoren-Speichereinheit 3b jeweils einen Strom Sensor 8e bzw. 8f.
[0069] An der Plus-Leitung 13f ist erneut ein vorzugsweise elektronisch steuerbarer Widerstand 10a angeordnet, der von einer Spule 14 überbrückt ist. Diese Überbrückung ist mit einem Schaltkontakt 7i mit der Minus-Leitung 13e verbunden und mit einem weiteren Schaltkontakt 7j kann die Überbrückung selber unterbrochen oder geschlossen werden. Vorzugsweise werden für 7i und 7j elektronische Schalter verwendet.
[0070] Die Fig. 4 zeigt schematisch und stellvertretend für alle erfindungsgemäßen Management-Systeme der vorliegenden Anmeldung, den Aufbau des Akkumulatoren-Teil-Management-Systems 9b aus der Fig. 2. Es umfasst eine potenzialfreie bzw. virtuelle Stromquelle 12, von der, symbolisch als von dem gemeinsamen Akkumulatoren-Kondensatoren-Management-System 9a getriggert, ein Booststrom IB aufgrund geschlossener Einzelschalter lle und llf einer Akkumulatoren-Zelle 2c gerade zugewiesen ist. Weitere vorzugsweise elektronische Einzelschalter lla-lld und llg-111 sind offen und somit erhalten weitere Akkumulator-Zellen 2a, 2b, 2d—2f gerade keinen Booststrom IB zugewiesen.
[0071] In der Fig. 5 ist mit gestrichelter Linie die
Spannungskurve und mit durchgezogener Linie der
Stromstärkenverlauf eines erfindungsgemäßen kombinierten
Stromspeicher-Systems entlang einer Zeitachse dargestellt. Ein erstes Zeitintervall ZIi zeigt eine erste Pulslast PLi und ein zweites Zeitintervall ZI2 zeigt eine zweite Pulslast PL2. Die erste Pulslast PLi erfolgte mit Kondensatoren-Unterstützung und die zweite ohne. Der Verlauf der Kurven ist bei der Pulslast PLi weniger steil und abrupt und auch der Abfall nicht so tief als bei der Pulslast PL2. Die Leistungsabgabe ist durch die
Kondensatoren gepuffert. Dieses ergibt eine verbesserte
Leistungsabgabe, bei gleichzeitiger Schonung der Akkumulator- Zellen.
[0072] Die Fig. 6 zeigt mittels eines Schaubildes, dass bei Umgebungsbedingungen von 20 Grad Celsius und einer Belastung von 1 C die Lastspitzen bei einem erfindungsgemäßen kombinierten Stromspeicher-System innerhalb der ersten 2 Sekunden um 80 Prozent reduziert sind, innerhalb der nächsten 2 Sekunden um 55, innerhalb der nächsten 2 Sekunden um 25 und innerhalb der nächsten 2 Sekunden um 10.
Bezugszeichenliste
1, la, lb - Akkumulatoren-Speichereinheit
2, 2a-2j - Akkumulator-Zelle
3, 3a, 3b - Kondensatoren-Speichereinheit
4, 4a-4j - Kondensator, Superkondensator, Ultrakondensator,
Supercap, Ultracap, Doppelschicht-, Pseudo- oder Hybridkondensator
5, 5a, 5b - Last bzw. externe Stromquelle
6a-6f - Spule
7a-7n - Schaltkontakt
8a-8f - Strom-Sensor
9, 9a-9d - Akkumulatoren-Kondensatoren-Management-System,
Management-System, Teil-Management-System
10, 10a - elektronisch steuerbarer Widerstand
lla-111 - Einzelschalter, elektronischer Schalter
12 - potenzialfreie Stromquelle, virtuelle Stromquelle
13a-13f - Leitungen
14 - Spule
15 - Schaltung zur Spannungsanpassung
100, 100a, 100b - kombiniertes Stromspeicher-System,
Akkumulatoren-Kondensatoren-Stromspeicher-System IB - Booststrom
μθ, μθι, μθ2 - MikroController
PLi, PL2 - Pulslast
ΖΙι, ZI2 - Zeitintervall

Claims

Patentansprüche
1. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b), eine Akkumulatoren- Speichereinheit (1, la, lb) mit mindestens einer
wiederaufladbaren Akkumulator-Zelle (2, 2a-2j ) und eine
Kondensatoren-Speichereinheit (3, 3a, 3b) mit mindestens einem Kondensator (4, 4a-4j) umfassend, wobei die Akkumulatoren- Speichereinheit (1, la, lb) und die Kondensatoren- Speichereinheit (3, 3a, 3b) zueinander parallel geschaltet sind und wobei mittels eines gemeinsamen Akkumulatoren-Kondensatoren-
Management-Systems (9, 9a-9d) sowohl die Akkumulatoren- Speichereinheit (1, la, lb) , als auch die Kondensatoren- Speichereinheit (3, 3a, 3b) gleichzeitig steuerbar sind.
2. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkumulatoren-Kondensatoren- Management-System (9a) Teil-Management-Systeme (9b, 9c) umfasst.
3. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Akkumulatoren-Kondensatoren-Management-System (9, 9a-9d) mindestens einen Mikrocontroller ( μθ , μθι , μθ2 ) umfasst, der mittels einer potenzialfreien, virtuellen Stromquelle (12) und Einzelschaltern (lla-111) einer beliebigen Akkumulatoren-Zelle (2, 2a-2j) und/oder eines beliebigen Kondensators (4, 4a-4j ) und/oder eines beliebigen Teilsystems mindestens einen
Booststrom (IB) zuweist.
4. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) Anschlüsse aufweist, mittels derer es mit weiteren Stromspeicher-Systemen (100, 100a, 100b) kombinierbar ist.
5. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mikrocontroller ( μθ , μθι , μθ2 ) ein Algorithmus hinterlegt ist, der die Boostströme (IB) variabel und dynamisch definiert.
6. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Mikrocontroller ( μθ , μθι , μθ2 ) einen Boost Counter umfasst, der die Boosts zählt.
7. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mikrocontroller ( μθ , μθι , μθ2 ) ein Algorithmus hinterlegt ist, der einen unteren Schwellenwert definiert, ab welchen
Ladungsunterschieden geboostet wird, und einen oberen
Schwellenwert definiert, bis zu welchen Ladungsunterschieden geboostet wird.
8. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mikrocontroller ( μθ , μθι , μθ2 ) ein Algorithmus hinterlegt ist, der Boost-Hierarchien definiert.
9. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens an der Kondensatoren-Speichereinheit (3, 3a, 3b) ein elektronisch steuerbarer Widerstand (10, 10a) angeordnet ist.
10. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens an der Kondensatoren-Speichereinheit (3, 3a, 3b) eine Schaltung zur Spannungsanpassung (15) angeordnet ist, die mindestens eine Spule (14) und mindestens zwei steuerbare
Schaltkontakte (7i, 7j ) umfasst.
11. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3-10, dadurch gekennzeichnet, dass der
Mikrocontroller ( μθ , μθι , μθ2 ) Software und das Stromspeicher- System (100, 100a, 100b) Hardware umfassen, mittels derer
Selbsttests bzw. Plausibilitätskontrollen der angezeigten Ist- Zustände und der erfassten oder gemessenen Werte durchführbar sind .
12. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Akkumulatoren-Speichereinheit (1, la, lb) und die Kondensatoren- Speichereinheit (3, 3a, 3b) jeweils mindestens einen Strom-
Sensor (8a-8f) umfassen.
13. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) eine Alarmausgabe-
Schnittstelle umfasst.
14. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) eine Benutzereingabe-
Schnittstelle mit Fernbedienung und/oder Fernwartung umfasst.
15. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) mindestens ein
Kommunikationsmodul umfasst, das bidirektional und verschlüsselt kommuniziert .
16. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) eine Kühlvorrichtung für das Ladekabel und die Kabel und die Anschlüsse des
Stromspeicher-Systems (100, 100a, 100b) umfasst.
17. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) in einem Rack angeordnet ist, das modular aufgebaut und skalierbar ist.
18. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Rack als Gehäuse ausgestaltet ist, dessen IP-Schutz in einem Bereich von IP21XX bis IP68DH liegt und vorzugsweise IP53XX beträgt.
19. Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Nennkapazität der Akkumulatoren-Speichereinheit (1, la, lb) und der Nennkapazität der Kondensatoren-Speichereinheit (3, 3a,
3b) ein Verhältnis besteht, das in einem Bereich von 1:1 bis 1:200 liegt und vorzugsweise 1:80 beträgt.
20. Verfahren zum Ausbalancieren unterschiedlicher Ladestände von Akkumulator-Zellen untereinander in einer separaten
Akkumulatoren-Speichereinheit oder von Kondensatoren
untereinander in einer separaten Kondensatoren-Speichereinheit oder von Akkumulator-Zellen (2, 2a-2j) und Kondensatoren (4, 4a-4j) in einem kombinierten Akkumulatoren-Kondensatoren- Stromspeicher-System (100, 100a, 100b) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche 6-19, dadurch gekennzeichnet, dass folgende grundsätzlichen Verfahrensschritte ausgeführt werden: a) - Sensorisches Erfassen der Daten zur Spannung, Stromstärke, Temperatur und Zeit aller Akkumulatoren-Zellen (2, 2a-2j) oder/ und aller Kondensatoren (4, 4a-4j);
b) - Erfassen der Boost-Counter-Daten der Akkumulator-Zellen (2, 2a-2j) oder/und der Kondensatoren (4, 4a-4 j ) , in ihrer Anzahl und in ihrer Stromstärke, beim Laden und/oder beim Entladen und/ oder im Ruhezustand, jeweils innerhalb des ganzen Lebens und/ oder in mehreren spezifischen Zeitintervallen;
c) - Auswerten aller erfassten Daten und Berechnen des SoC jeder Akkumulator-Zelle (2, 2a-2j) oder/und jedes Kondensators (4, 4a-4j) ;
d) - Berechnen des SoH jeder Akkumulator-Zelle (2, 2a-2j) oder/ und jedes Kondensators (4, 4a-4j ) ;
e) - Auswerten des SoC und des SoH und Ermitteln der zu
boostenden Akkumulator-Zellen (2, 2a-2j) oder/und Kondensatoren (4, 4a-4j);
f) - Zuweisen der Boostströme (IB) mittels der Einzelschalter (lla-111) und der Steuerung der potenzialfreien Stromquelle (12) .
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